冷卻水循環利用及智能化控制改造

凌幸福，袁 敏，李威華，王 斌

（新余鋼鐵集團公司，江西新余 338001）

0 引言

檢測中心“熔渣高溫特性綜合測試儀”爐體原冷卻用水的現狀是自來水由進水閥輸入到高溫爐體進水端，經由冷卻水管與周圍高溫耐材進行熱交換，熱水經回水管路流到地下排水溝，自然進入生態環境，該冷卻方式屬于一次性直排，是實質上的長流水，結果是冷卻水用量大，檢測的成本高，水資源浪費嚴重，單位能耗遠超定額。保護和節約水資源已成為當今世界各國共同關心的重大環境問題之一。我國鋼鐵行業是用水大戶，合理、科學的用水不僅大幅降低生產成本，也是對人類賴以生存的有限的水資源的保護。

1 存在的問題

應集團公司發展的需要，中心于2016年8月完成了該檢測項目的建設，由于當時時間緊及各方面條件所限，爐體冷卻采用了臨時的直排方式，與同行相比其冷卻用水的成本、環保、能源消耗等等方面已不合時宜，這樣的冷卻方式存在3個問題。

（1）爐體冷卻用水為直排式自來水，所以用水量大，用水費用高昂，檢測的成本高。由于作業狀態下爐膛溫度上限可達到1300℃，為保障設備及人身安全必須對爐體進行不間斷地冷卻，所以這種實質上的長流水使生產用水的成本居高不下。

（2）浪費有限的水資源，不利于環境保護。我國是一個干旱缺水嚴重的國家，可利用的淡水資源量少且其分布極不均衡，日趨短缺和嚴重的水污染對我國正在實施的可持續發展戰略帶來了嚴重影響，因此，必須要保護好賴以生存的水資源。

（3）浪費能源，單位能耗遠超定額，不利于節能降耗。我國水資源利用率不足50%，重復利用率約為20%，低效的利用率加劇了水資源的供需矛盾和嚴重浪費局面，跑、冒、滴、漏等浪費現象也十分嚴重，所以節約用水無疑對提高能源的效費比、節能降耗有益。

2 對原直排系統的改造及實施

2.1 改造方向

（1）將冷卻水原直排方式改為閉路循環的方式。閉路循環方式對水重復利用，有著節水、節能、降耗、環保的顛覆性優勢。

（2）建立起智能化控制管理模式，使改造后的循環系統更能保證用水安全。建立該系統的目的是使上水池實際的冷卻水不因超過安全高水位而溢出和不因低于安全低水位而斷供，保障爐體冷卻用水的安全。

2.2 改造內容

（1）建立閉路循環水系統，將爐體熱交換后的熱水收集到集水池，由潛水泵自動泵水到上水池，涼水利用自身的勢能進入爐體；建立補充水系統，保障總循環量。

（2）制作一套智能化“全自動/手動水位控制儀”。

（3）增加一套爐體供水失壓報警斷電裝置。

2.3 閉路循環水系統設計與制作

（1）設計（圖1）。工藝流程：利用上水池與爐體的高度差，上水池的涼水經閥門注入爐體的冷卻管網入口端，熱交換后的熱水流入冷卻塔，其出水匯入集水池，在受控狀態下被泵至上水池，再從上水池注入爐體，循環往復，且爐體最高出水溫度≤60℃。

圖1 閉路循環水系統

補充水：循環水系統在運行的過程中由于在水池的蒸發及冷卻塔的霧化、風冷、蒸發，總水量逐漸減少，水體濃縮（水的耗損率≤1.5%），在集水池旁安裝補充水。

（2）制作。材料準備：1.5 kW單相潛水泵1臺；DN15鋁塑管35 m；角鋼6 m；閥門5個；量程0.6 MPa電觸點水壓表1個；配套的鍍鋅管、彎頭、接頭和三通若干。水池部分：該測試儀底層地面之下有1閑置的容積>20 m3的混凝土結構水池，作為集水池使用；測試儀頂層之上也有1個閑置的鋼結構水池，用作上水箱，2個水箱經維護后投入了使用。

管道部分：用鋁塑管將上水箱底部出水口到爐體冷卻水入口前端閥門連通；拆除自來水源到上水箱嚴重銹蝕的鐵管，水泵到上水池以鋁塑管連接；爐體出水直到集水池以鋁塑管連接。補充水部分：自來水通過三通分成2路，一路通過閥門與爐體供水閥門并聯作備用；另一路即三通到集水池裝設鋁塑管并定位。其他：上水池的底部安裝排污清洗閥門，頂部安裝探頭及線路的支架，爐體進水閥門前安裝電觸點水壓表，潛水泵固定在集水池。

圖2 系統電路

表1 元器件參數

2.4 智能型“全自動/手動水位控制儀”設計與制作

（1）設計。系統構成及元器件參數見圖2和表1。主控板：該部分包括直流電源、水位監測、電子開關、驅動、狀態指示等部分。直流電源由控制變壓器、橋式整流電路、濾波電路組成，控制變壓器產生AC 12 V電壓，經橋式整流濾波為主控板提供DC 12 V電壓；水位監測部分由高、中、低3個水位探頭、繼電器常閉觸頭、分壓電阻R4及R5組成，高水位探頭位置為上水池最高安全水位，中水位探頭位置為上水池最低安全水位，低水位探頭接+12 V電源，通過水體與其他探頭連接，達到控制水位的目的；電子開關由V1，R4，R5組成，R4為限流分壓電阻，R5為分壓電阻，V1飽和狀態下，其集電極電流IC1=（UCC-UCE）/R1=（12-0.3）/10=1.17 mA，基極電流 IBE=IC/β=1.17/64=18.28 μA，β 取最小值64，UR5=UCC×R5/（R4+R5）=12×22/（22+5.6）=9.57 V，UR5使V1飽和導通，其集電極輸出低電平，將V2的基極置低電平，12 V電源經R1和V1接公共地，R1限流分壓，當水位低于低水位安全位置，R4不受電沒有電流，R5沒有電壓，V1處于截止狀態時，其集電極輸出高電平，使V2處于飽和導通狀態，水泵工作；驅動部分由V2，R1～R3，繼電器J組成，V1截止時，12 V電源經R1，R2限流分壓，忽略IBE影響時，UR2=UCC×R2/（R1+R2）=12×22/（22+10）=8.25 V，V2處于飽和工作狀態，J吸合，其常開觸點驅動接觸器KM，D5為續流二極管，R3為保險電阻，R7，LED2為工作狀態指示；狀態指示包括工作電源指示、工作及停止狀態指示，能清晰地顯示主板上的功能塊運行的狀況。面板：面板包括自動和手動選擇開關（船型）、工作和停止狀態指示、手動啟動和停止等功能。船型開關作控制方式選擇；狀態指示是顯示水泵的工作狀態；手動啟動和停止是儀器自動狀態失效時保證爐體用水安全的一個操作選擇。其他部分：包括空氣開關、接觸器、接線排、接零及接地樁、保險和儀器箱。

（2）制作。材料準備：電子元件部分主要包括保險（1.5 A）、控制變壓器（5 W）、船型開關、LED燈、二極管、直流電容、信號繼電器J、各型電阻、三極管、控制電路板等（圖2）；電氣部分包括潛水泵、空氣開關、接觸器、啟動和停止按鈕、聲光報警器、線排、零線和地線樁子等；探頭材料包括塑料管、電極引線、電極頭、密封環節等；其他主要包括儀器箱、塑料板、面板及功能貼紙、導線等。主控板制作：根據元器件情況制作好印刷電路板，開好安裝孔并燙好錫，根據原理圖將這些元件焊接到電路板上，做好各引線樁并連接好控制變壓器。前面板制作：開安裝孔、貼功能紙、安裝船型開關、指示燈、手動啟停按鈕。探頭制作：導線的入水部分做絕緣防水保護套，涂膜鈦絲電極與導線緊固連接，通過塑料緊固件與保護套形成整體，防止電化腐蝕。后面板電氣安裝：先固定好板子，再將空氣開關、接觸器、接線排、接零接地端子、保險、控制變壓器等按加工孔安裝到可拆卸的后面板上。整體組裝：固定好前面板、主控板，連接好主控板、前面板、后背板之間及各電氣之間的連接線，安裝好增設的報警系統，裝設控制儀到探頭及水泵的線路，整體效果如圖3所示。

圖3 整體效果

3 系統運行調試

3.1 閉路循環水系統調試

（1）水池、管路、接頭、閥門、補充水部分流通及漏水情況。將船型開關選在手動位置，打開補充水閥門將集水池水注滿，啟動水泵往上水池泵水；將船型開關置自動位子，打開爐體進水閥門，水經由爐體最終流到集水池，觀察水池、閥門、管路、接頭等等是否有漏水情況，所有問題現場解決；觀察上水池水位，是否保持在兩探頭之間。

（2）爐體進出水溫度情況（表2，2017年 10月 9日）。h1和t1，t2是開爐前時間和爐體進出水溫度，后面是每隔1 h的瞬時溫度值。從表2試驗數據可知，到11：00后冷卻水溫升變化很小，最高值也在設計范圍內，系統運行正常。

表2 爐體進出水溫度情況

3.2 控制系統調試

（1）主控板智能化控制功能。檢查3個探頭位置，給控制儀加電，將船型開關置于自動位置，觀察主控板及面板的電源及工作指示燈有否點亮，若工作指示燈未點亮，說明V1導通、V2截止，接觸器未啟動，水泵停止，說明水位在安全區域；打開爐體進水閥門，等壓力穩定后對爐體通電作業；若工作指示燈已點亮說明水位不在安全區域，此時V2導通，水泵往上水箱泵水，說明水位處受控狀態。

（2）手動應急功能。將船型開關置于手動位置，按下啟動按鈕，觀察接觸器及水泵的工作狀態；按下停止按鈕，觀察其工作狀態。

（3）探頭對水位的控制。圖2中的最低位探頭為DC 12 V電源，改變高、低位探頭的高度，觀察水泵啟停狀況及探頭與水位的關系。

4 經濟效益情況

（1）直排水系統改為閉路循環水系統的改造成本低。改造需要補加的材料：見閉路系統設計“材料準備”，實際制作該系統時由于集水池容量大，因此減除了冷卻塔，從實際熱交換效果來看正常，因此系統改造的成本低。

（2）“全自動/手動水位控制儀”的制作成本低。儀器箱取之于廢棄設備上的儀器外殼，重新修飾。主控板自行設計、自購元器件組裝。元器件與其他設備通用，制作及維修成本低。

（3）“全自動/手動水位控制儀”運行成本低。主控電路板屬于小功率電路板；電氣部分工作時消耗的功率也很小；智能化管理減少了人工管理成本。

（4）其他。水泵：自身功率小且間歇性地工作，耗電量小。補充水用量：由于蒸發量小，相比總水量補充水用量≤1.5%，補水少。

（5）節水效益測算。直接經濟效益：爐體進水量實測大約2 t/h，一個保護渣樣檢測時間段為早7：30到下午2：30，即7 h，則一個樣的用水量為2×7=14 t，水費按1.8元人民幣/t計算，則單樣日耗水費Y=14×1.8=25.2元人民幣，年耗水量Q=14×365=5110 t，年耗水費為 Y×365=25.2×365=9198 元人民幣。

5 推廣應用

（1）目前試用情況。從這段時間的試用情況來看，閉路循環及水位智能化控制系統運行十分穩定，操作極其方便。

（2）推廣應用計劃。基于第一套系統試用中積累的經驗，后續將把這種改造的方法、經驗和產品推廣應用到中心及中心以外的各種直排水系統，對那些老系統和設計有缺陷的直排系統進行經濟性改造并實施人工智能管理，既能解決那些老系統和設計有缺陷的直排系統的升級換代的問題，又能縮減大量的成本，這對節能降耗及環境保護非常有益。

6 結束語

（1）通過調試和應用，該閉路循環系統達到了節水、節能降耗的目的，且保護了有限的水資源。

（2）該智能型控制系統靈敏度及自動化程度高，制作成本低，系統獨立，便于推廣應用。

（3）關于冷卻塔。爐體冷卻水量約為2 t/h，集水池容積為20多立方米，還有上水池，從結果來看不用冷卻塔爐體出水溫度也在設計范圍內，故本次不裝冷卻塔，這些數據也給以后的改造提供了寶貴的經驗。

（4）閉路循環系統并非完美無缺，例如滋生菌藻、熱交換部位結垢，使用中注意對策。